KR20110048055A - 반도체 처리 챔버용 공정 가스 분배 - Google Patents

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Abstract

가스 분배 조립체를 위한 방법 및 장치가 제공된다. 몇몇 실시예에서, 가스 분배 조립체는 제 1 체적을 갖는 가스 입구 구멍, 및 가스를 수용하는 입구 및 가스 도관으로부터 그리고 상기 제 1 체적 내측으로 가스의 유동을 촉진시키는 출구를 갖춘 가스 도관을 포함하며, 상기 가스 도관은 상기 제 1 체적보다 작은 제 2 체적, 및 상기 입구에 근접한 제 1 횡단면으로부터 상기 출구에 근접한 제 2 횡단면으로 증가하는 횡단면을 가지며, 상기 제 2 횡단면은 비원형이다. 몇몇 실시예에서, 각각의 가스 도관은 가스 입구 구멍의 중심 축선과 교차하는 길이방향 축선을 가진다.

Description

반도체 처리 챔버용 공정 가스 분배 {PROCESS GAS DELIVERY FOR SEMICONDUCTOR PROCESS CHAMBER}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 반도체 처리 설비에 관한 것이며, 더 구체적으로는 공정 가스를 반도체 처리 챔버 내측으로 유입시키기 위한 가스 분배 조립체에 관한 것이다.
몇몇 반도체 처리 챔버에 있어서, 다중 공정 가스들이 공통의 가스 입구, 예를 들어 처리 챔버의 천정에 배열된 가스 분사 구멍을 통해 처리 챔버로 분배될 수 있다. 그와 같은 반도체 처리 챔버는 화학 기상 증착(CVD) 또는 원자 층 증착(ALD)용으로 사용되는 것을 포함하며, 여기서 처리 챔버는 기판 상에 층을 적어도 부분적으로 증착하기 위해 사용될 수 있다.
공통의 가스 입구의 체적은 공정 가스를 가스 입구로 공급하는 가스 도관의 체적보다 상당히 클 수 있다. 따라서, 공정 가스는 입구로 유입될 때 급속히 팽창한다. 공정 가스의 급속 팽창은 공정 가스의 냉각-주울 톰슨 냉각(Joule-Thomson Cooling)으로 공지된 효과-에 의해 초래될 수 있다. 낮은 증기 압력을 갖는 공정 가스, 예를 들어 하프늄 테트라클로라이드(HfCl4)는 냉각시 응축됨으로써, 입구를 오염시키거나 공정 가스의 농도 변화를 초래하는 입자들을 형성할 것이다.
또한, 공통의 가스 입구의 중심 축선에 대한 가스 도관의 접선 정렬은 가스 입구 내에 그리고 기판 위에 순환하는 가스 와류를 초래할 수 있다. 상기 와류는 예를 들어, 캐리어 가스 및 반응성 증기를 포함하는 공정 가스를 분리시켜 공정 가스 내의 농도 변동을 초래할 수 있다.
따라서, 급속 냉각 및 와류 형성을 방지하는 가스 분배 조립체가 본 기술 분야에 필요하다.
가스 분배 조립체를 위한 방법 및 장치가 제공된다. 몇몇 실시예에서, 가스 분배 조립체는 제 1 체적을 갖는 가스 입구 구멍, 및 가스를 수용하는 입구 및 가스 도관으로부터 그리고 상기 제 1 체적 내측으로 가스의 유동을 촉진시키는 출구를 갖춘 가스 도관을 포함하며, 상기 가스 도관은 상기 제 1 체적보다 작은 제 2 체적, 및 상기 입구에 근접한 제 1 횡단면으로부터 상기 출구에 근접한 제 2 횡단면으로 증가하는 횡단면을 가지며, 상기 제 2 횡단면은 비원형이다.
몇몇 실시예에서, 기판 처리 장치는 내부 체적을 갖는 처리 챔버, 및 공정 가스를 상기 내부 체적으로 유입하기 위해 상기 처리 챔버에 연결되는 가스 분배 조립체를 포함한다. 상기 가스 분배 조립체는 전술한 것과 동일할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 기판 처리 방법은 하나 또는 그보다 많은 제 1 체적을 통해 각각의 상기 제 1 체적보다 큰 제 2 체적으로 공정 가스를 유동시키는 단계, 및 상기 공정 가스를 상기 제 2 체적을 통해 상기 기판으로 분배하는 단계를 포함하며, 각각의 상기 제 1 체적은 유동 방향으로 길이방향 축선을 따라 제 1 횡단면으로부터 제 2 횡단면으로 증가하는 횡단면을 가지며, 상기 제 2 횡단면은 비원형이다.
본 발명의 전술한 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간단히 요약한 본 발명에 대해 몇몇 실시예들이 첨부 도면에 도시되어 있는 실시예들을 참조하여 더욱 더 구체적으로 설명한다. 그러나, 첨부 도면들은 본 발명의 단지 전형적인 실시예들만을 도시할 뿐, 본 발명의 범주를 한정하는 것으로 고려해서는 안 되며 본 발명의 다른 균등하고 유효한 실시예들이 있을 수 있다고 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 처리 챔버의 개략적인 횡단면도이며,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 분배 조립체 및 가스 도관의 개략적인 측면도이며,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 가스 분배 조립체의 개략적인 평면도이며,
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
가스 분배 조립체를 위한 방법 및 장치가 제공된다. 몇몇 실시예에서, 가스 분배 조립체는 제 1 체적을 갖는 가스 입구 구멍 및 하나 또는 그보다 많은 가스 도관을 포함하며, 각각의 가스 도관은 입구 및 도관을 통해 상기 제 1 체적으로 가스의 유동을 촉진시키기 위한 출구를 가지며, 각각의 가스 도관은 제 1 체적보다 작은 제 2 체적을 가지며, 각각의 가스 도관은 출구에 근접한 제 1 횡단면으로부터 출구에 근접한 제 2 횡단면으로 증가하는 횡단면을 가진다. 가스 분배 조립체는 처리 챔버로 공정 가스의 유입을 촉진시키기 위해 처리 챔버에 연결될 수 있다. 공정 가스는 하프늄 테트라클로라이드(HfCl4)와 같은 하프늄 전구체 또는 캐리어 가스와 조합되어 유동되는 다른 낮은 증기압의 반응성 가스를 포함할 수 있으며, 이는 이후에 설명되는 본 발명의 실시예에 의해 제공되는 와류 형성에 의한 가스 분리 및/또는 주울-톰슨 냉각 효과의 감소로 인해 유리할 수 있다.
본 발명에 사용된 원자 층 증착(ALD) 또는 "주기적 증착"은 기판 표면 상에 재료 층을 증착하기 위해 두 개 또는 그보다 많은 반응성 화합물을 순차적으로 유입하는 것을 지칭한다. 이와는 달리, 두 개, 세 개 또는 그보다 많은 반응성 화합물들이 처리 챔버의 반응 영역으로 유입될 수 있다. 보통, 각각의 반응성 화합물은 각각의 화합물이 기판 표면 상에 부착 및/또는 반응할 수 있게 하는 시간 지연에 의해 분리된다. 일면에서, 하프늄 전구체와 같은 제 1 전구체 또는 화합물 A가 제 1 시간 지연에 이어서 반응 영역으로 펄스된다(pulsed). 다음에, 산화 가스와 같은 제 2 전구체 또는 화합물 B가 제 2 시간 지연에 이어서 반응 영역으로 펄스된다. 산화 가스는 인-시츄(in-situ) 물과 산소와 같은 여러 산화제를 포함할 수 있다. 각각의 시간 지연 중에, 질소와 같은 세정 가스가 반응 영역을 세정하거나, 이와는 달리 반응 영역으로부터 임의의 잔류 반응성 화합물 또는 부산물을 제거하기 위해 처리 챔버 내측으로 유입된다. 이와는 달리, 세정 가스는 단지 세정 가스만이 반응성 화합물의 펄스 사이의 시간 지연 중에 유동하도록 증착 공정 전반에 걸쳐 연속적으로 유동할 수 있다. 이와는 달리, 반응성 화합물은 소정의 필름 또는 필름 두께가 기판 표면 상에 형성될 때까지 펄스된다. 어느 하나의 시나리오에 있어서, ALD 공정의 주기는 화합물 A 또는 세정 가스를 펄싱, 그리고 화합물 B 또는 세정 가스를 펄싱하는 것이다. ALD 공정의 주기는 화합물 A 또는 화합물 B 중 어느 하나로 시작되어서 소정의 두께를 갖는 필름을 달성할 때까지 상기 주기의 각각의 순서를 계속한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 처리 챔버(100)의 개략적인 횡단면도이다. 처리 챔버(100)는 원자 층 증착(ALD) 또는 급속 화학 기상 증착(급속 CVD)과 같은 주기적 증착에 채용되는 가스 분배 조립체(130)를 포함한다. 본 발명에 사용된 용어 ALD 및 급속 CVD는 기판 위에 얇은 층을 증착하기 위해 반응물을 순차적으로 유입시키는 것을 의미한다. 반응물의 순차 유입은 소정 두께의 등각 층을 형성하기 위해 복수의 얇은 층들 증착하도록 반복될 수 있다.
처리 챔버(100)는 측벽(110)과 바닥(106)을 갖는 챔버 몸체(104)를 포함한다. 처리 챔버(100) 내의 슬릿 밸브(102)는 처리 챔버(100) 내로 기판(112)을 분배하고 처리 챔버 내측으로부터 기판(112)을 회수하기 위한 로봇(도시 않음)에 대한 접근로를 제공한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 기판(112)은 200 mm 또는 300 mm 직경의 반도체 웨이퍼 또는 유리 기판일 수 있다. 처리 챔버(100)는 본 발명에 설명된 본 발명의 장치 및 방법으로부터 이득을 얻을 수 있는 ALD 또는 급속 CVD용으로 구성되는 임의의 적합한 챔버를 포함할 수 있다. 몇몇 예시적인 처리 챔버들은 발명의 명칭이 "하프늄 함유 고 유전체 상수 재료의 원자 층 증착을 위한 장치 및 방법"인 2005년 5월 12일자로 출원되어 공동 양도된 미국 특허출원 공개 제 2005-0271813호, 및 발명의 명칭이 "원자 층 증착을 위한 가스 분배 장치 및 방법"인 2001년 12월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 공개 제 2003-0079686호에 설명되어 있으며, 이들 특허 출원은 모두 본 발명에 참조되었다. 적어도 몇몇 본 발명의 기술들을 수행하는데 적합한 두 개의 예시적인 챔버들은 어플라이드 머티리얼즈,인코포레이티드로부터 이용가능한 GEMINI ALD 또는 CVD 챔버를 포함할 수 있다.
기판 지지대(108)는 처리 챔버(100) 내의 기판 수용면(191) 상에 기판(112)을 지지한다. 기판 지지대(또는 받침대: 108)는 기판 지지대(108) 및 그 위에 배열되는 기판(112)을 상승 및 하강시키도록 리프트 모터(114)에 장착된다. 리프트 모터(118)에 연결된 리프트 판(116)은 처리 챔버(100) 내에 장착되며 기판 지지대(108)를 통해 이동가능하게 배열되는 핀(120)을 상승 및 하강시킨다. 핀(120)은 기판 지지대(108)의 표면 위로 기판(112)을 상승 및 하강시킨다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 기판 지지대(108)는 처리 중에 기판(112)을 기판 지지대(108)에 고정하기 위한 진공 척, 정전 척, 또는 클램프 링을 포함할 수 있다.
기판 지지대(108)는 상부에 배열된 기판(112)의 온도를 증가시키도록 가열될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지대(108)는 저항 히터와 같은 매설된 가열 소자를 사용하여 가열될 수 있거나, 기판 지지대(108) 위에 배열된 가열 램프와 같은 복사 가열 방식을 사용하여 가열될 수 있다. 세정 링(122)은 기판(112) 주변부에 증착되는 것을 방지하기 위해 세정 가스를 기판(112)의 주변부에 제공하는 세정 채널(124)을 형성하도록 기판 지지대(108) 상에 배열될 수 있다.
가스 분배 조립체(130)는 공정 가스 및/또는 세정 가스와 같은 가스를 처리 챔버(100)에 제공하기 위해 챔버 몸체(104)의 상부에 배열된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 공정 가스는 하프늄 전구체 또는 낮은 증기압을 갖는 다른 적합한 반응성 가스, 및 캐리어 가스를 포함할 수 있다. 진공 시스템(178)은 어떤 소정의 가스를 처리 챔버(100)로부터 배기시키고 처리 챔버(100)의 펌핑 영역(166) 내측에 소정의 압력 또는 소정의 압력 범위를 유지하는데 도움을 주도록 펌핑 채널(179)과 소통된다.
가스 분배 조립체(130)는 챔버 리드(132)를 더 포함할 수 있다. 챔버 리드(132)는 챔버 리드(132)의 중심부로부터 연장하는 가스 입구 구멍(134) 및 상기 가스 입구 구멍(134)으로부터 챔버 리드(132)의 주변부로 연장하는 바닥면(160)을 포함할 수 있다. 바닥면(160)은 기판 지지대(108) 상에 배열된 기판(112)을 실질적으로 덮을 수 있는 크기와 형상을 가진다. 챔버 리드(132)는 기판(112)의 주변부에 인접한 챔버 리드(132)의 주변부에 쵸크(162)를 가질 수 있다. 캡 부분(172)은 가스 입구 구멍(134)의 일부분 및 가스 입구(136A,136B,136C,136D)들을 포함한다. 가스 입구 구멍(134)은 두 개의 유사한 밸브(142A,142B,142C,142D)들로부터의 가스 유동을 제공하기 위한 가스 입구(136A,136B,136C,136D)를 가진다. 밸브(142A,142B,142C,142D)들로부터의 가스 유동은 함께 및/또는 별개로 제공될 수 있다.
와류 형성으로 인한 감소된 주울-톰슨 냉각 및 가스 분리를 촉진시킬 수 있는 가스 입구 조립체의 실시예들이 도 2a 및 도 2b 그리고 도 3a 및 도 3b와 관련하여 이후에 설명된다. 일반적으로, 그와 같은 실시예들은 하나 또는 그보다 많은 가스 도관(150)의 횡단면 형상 및 가스 입구 구멍(134)에 대한 이들 도관의 방위에 관한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 가스 입구 구멍(134) 및 하나 또는 그보다 많은 가스 도관(150)을 포함하는 가스 분배 조립체(130)의 일부분에 대한 3차원 도면이다. 도 1과 관련하여, 가스 도관(150A,150B,150C,150D)은 가스 입구(136A,136B,136C,136D)와 밸브(142A,142B,142C,142D) 사이에 배열된다.
도 2a에 도시된 가스 입구 구멍(134)은 일반적으로 원통형 형상일 수 있으며 제 1 체적 및 그 내부에 배열되는 중심 축선을 가질 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같은 몇몇 실시예에 있어서, 가스 입구 구멍(134)은 적어도, 중심 축선의 일부분을 따라 그리고 가스 유동 방향으로 확장되는 횡단면을 가질 수 있다. 가스 입구 구멍(134)은 테이퍼진 직선면, 볼록면, 오목면 또는 이들의 조합 형상과 같은 하나 또는 그보다 많은 테이퍼진 내측 표면(도시 않음)을 포함하거나 하나 또는 그보다 많은 내측 표면(즉, 테이퍼진 부분 및 테이퍼지지 않은 부분)들을 가질 수 있다.
상기 가스 도관(150A,150B,150C,150D)은 각각 가스 입구(136A,136B,136C,136D)에서 가스 입구 구멍(134)에 연결된다. 도 2b에 도시된 바와 같은 각각의 가스 도관은 길이방향 축선을 따라 그리고 각각의 가스 입구(136)를 통해 가스 입구 구멍(134)에 의해 형성된 제 1 체적 내측으로의 공정 가스 유동을 촉진시키기 위한 입구(151) 및 출구(152)를 가진다. 각각의 가스 도관(150)은 가스 입구 구멍(134)의 제 1 체적보다 적은 제 2 체적을 형성한다. 본 발명에 따른 상기 제 1 체적과 제 2 체적 사이의 차이가 없으면, 가스 도관(150)의 제 2 체적으로부터 가스 입구 구멍의 제 1 체적으로의 공정 가스 유동이 주울-톰슨 냉각 효과를 겪음으로써 기판으로 분배되는 공정 가스에의 농도 변화 및 공정 가스로부터 미세 입자들의 형성을 초래할 수 있다.
주울-톰슨 냉각을 감소시키기 위해, 각각의 가스 도관(150)은 입구(151) 근처의 제 1 횡단면으로부터 출구(152) 근처의 비-원형 제 2 횡단면으로 증가하는 횡단면 형상을 가지도록 형상화될 수 있다. 입구(151)와 출구(152) 사이의 가스 유동 방향을 따른 증가하는 횡단면은 가스 도관 내의 체적을 점진적으로 확대함으로써, 예를 들어 낮은 증기압 반응성 가스 내에 화학 평형(chemical equilibrium)을 유지한다. 따라서, 각각의 가스 도관(150)의 횡단면의 점진적인 확장은 반응성 가스의 급격한 온도 하강을 감소시킬 수 있다. 비한정적인 예인 몇몇 실시예에서, 입구(151)에 인접한 제 1 횡단면은 원형일 수 있다. 그러나, 제 1 횡단면에 대한 어떤 적합한 형상도 선택될 수 있다.
각각의 가스 입구(150)의 출구(152)에 인접한 제 2 횡단면은 비-원형일 수 있다. 도 2b에 도시한 바와 같이, 제 2 횡단면은 일반적으로 장방형일 수 있으나, 다른 적합한 형상도 고려될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제 1 횡단면의 면적 대 제 2 횡단면의 면적 비는 약 3 : 1 또는 그보다 크다. 본 기술 분야의 당업자는 입구(151)와 출구(152) 사이의 각각의 가스 도관의 확장 횡단면을 따른 주울-톰슨 냉각에 의한 공정 가스의 온도 하강을 관리하기 위해 다른 비율을 이용할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 비원형 형상은 가스 도관을 통해 유동하는 공정 가스와 접촉하는 가스 도관의 표면적을 최대화하도록 제 2 횡단면에 대해 선택된다. 표면적을 최대화하는 그와 같은 비원형 형상은 예를 들어, 외부 히터가 각각의 가스 도관의 외측면에 연결되는 몇몇 실시예에 대해 선택될 수 있다. 외부 히터는 입구(151)와 출구(152) 사이의 각각의 가스 도관의 확장 횡단면에 의한 주울-톰슨 냉각을 감소시키는 추가의 수단으로서 열을 제공할 수 있다. 히터와 접촉하는 횡단면의 최대 표면적은 제 2 횡단면에 따른 최대 열전달을 촉진시킬 수 있다.
도 2a를 참조하면, 몇몇 실시예에서 각각의 가스 도관(150)은 가스 입구 구멍(134)의 중심 축선(154)과 교차하는 길이방향 축선(152)을 가진다. 그와 같은 방위는 가스 입구 구멍(134) 내에 공정 가스의 층류 유동을 제공함으로써 와류 형성을 감소시킬 수 있다. 또한, 가스 입구 구멍(134) 내의 층류는 가스 입구 구멍(134)의 내측 표면 및 챔버 리드(132)의 다른 표면들에 대한 세정을 개선할 수 있다.
또한, 비제한적인 예로서 각각의 가스 도관(150)은 가스 도관(150A,150B,150C,150D)에 대해 도 2a에 도시한 바와 같이, 가스 입구 구멍(134)의 중심 축선에 수직한 길이방향 축선을 가질 수 있다. 그러나, 하나 또는 그보다 많은 가스 도관(150)은 필요하다면, 가스 입구 구멍(134)의 중심 축선에 대해 정렬될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 적어도 두 개의 가스 도관은 정반대인 길이방향 축선(152)을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시한 바와 같이, 가스 도관(150A,150B) 및 가스 도관(150C,150D)은 정반대인 길이방향 축선(152)을 가진다. 정반대인 길이방향 축선은 도 3a의 평면도에서 볼 수 있는 바와 같이 가스 입구 구멍(134)의 중심 축선과 교차한다.
가스 도관(150)의 다른 구성도 가능하다. 도 3b의 평면도에 도시된 바와 같은 몇몇 실시예에서, 가스 도관(150A,150B)과 같은 적어도 두 개의 가스 도관은 가스 도관 구멍(134)의 중심 축선(154)과 교차하는 수직한 길이방향 축선(156,158)을 가질 수 있다. 본 기술 분야의 당업자들은 전술한 바와 같이 가스 입구 구멍(134)을 따라 가스 도관(150A,150B,150C,150D)에 대한 하나 또는 그보다 많은 방위들을 이용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 몇몇 실시예에서 밸브(142A,142B,142C,142D)는 반응성 가스 공급원을 분리하도록 연결되나, 바람직하게 동일한 세정 가스 공급원에 연결된다. 예를 들어, 밸브(142A)는 반응성 가스 공급원(138A)에 연결되며 밸브(142B)는 반응성 가스 공급원(138B)에 연결되며, 두 개의 밸브(142A,142B)는 세정 가스 공급원(140)에 연결된다. 각각의 밸브(142A,142B,142C,142D)는 분배 라인(143A,143B,143C,143D)을 포함한다. 분배 라인(143A,143B,143C,143D)은 반응성 가스 공급원(138A,138B,138C,138D)과 소통되며 가스 도관(150A,150B,150C,150D)을 통해 가스 입구 구멍(134)의 가스 입구(136A,136B,136C,136D)와 소통된다. 몇몇 실시예에서, 추가의 반응성 가스 공급원, 분배 라인, 가스 입구 및 밸브들이 가스 분배 조립체(130)에 추가될 수 있다. 세정 라인(145A,145B,145C,145D)과 같은 세정 라인은 세정 가스 공급원(140)과 소통되며, 세정 라인(145A,145B,145C,145D)의 유동은 각각, 밸브(146A,146B,146C,146D)에 의해 제어된다. 세정 라인(145A,145B,145C,145D)은 밸브(142A,142B,142C,142D)에서 분배 라인(143A,143B,143C,143D)과 교차한다. 캐리어 가스가 반응성 가스 공급원(138A,138B,138C,138D)으로부터 반응성 가스를 분배하는데 사용되면, 일 실시예에서 동일한 가스가 캐리어 가스 및 세정 가스(예를 들어, 캐리어 가스 및 세정 가스로서 사용되는 질소)로서 사용된다. 밸브(142A,142B,142C,142D)는 다이어프램을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 다이어프램은 개방 또는 폐쇄쪽으로 기울어지며 각각 개방 또는 폐쇄되게 작동될 수 있다. 다이어프램은 공압식으로 작동되거나 전기 작동될 수 있다. 공압식 작동 밸브의 예는 미국 오하이오주 솔론 소재의 스웨이지로크(Swagelock)로부터 이용가능한 공압식 작동 밸브가 포함된다. 공압식 작동 밸브는 약 0.020 초 정도의 시간 주기로 가스 펄스를 제공할 수 있다. 전기 작동식 밸브는 약 0.005초 정도의 시간 주기로 가스 펄스를 제공할 수 있다. 전기 작동식 밸브는 통상적으로 도면 부호(148A,148B)와 같은 프로그램가능한 논리 제어기와 밸브 사이에 연결되는 구동기의 사용을 필요로 한다.
밸브(142A,142B,142C,142D)는 반응성 가스(138A,138B,138C,138D)와 세정 가스(140)의 조합된 가스 유동 및/또는 분리된 가스 유동을 제공하도록 구성될 수 있다. 밸브(142A)를 참조한, 밸브(142A)에 의해 제공된 반응성 가스(138A)와 세정 가스(140)의 조합된 가스 유동의 일 예는 세정 가스 공급원(140)으로부터 세정 라인(145A)을 통한 세정 가스의 연속 유동 및 반응성 가스 공급원(138A)으로부터 분배 라인(143A)을 통한 반응성 가스의 펄스를 포함한다.
밸브(142A,142B,142C,142D)의 분배 라인(143A,143B,143C,143D)은 가스 도관(150A,150B,150C,150D)을 통해 가스 입구(136A,136B,136C,136D)에 연결된다. 가스 도관(150A,150B,150C,150D)은 밸브(142A,142B,142C,142D)로부터 분리될 수 있다. 일 실시예에서, 밸브(142A,142B,142C,142D)는 밸브(142A,142B,142C,142D)와 가스 입구(136A,136B,136C,136D) 사이의 가스 도관(150A,150B,150C,150D) 및 분배 라인(143A,143B,143C,143D)의 어떤 불필요한 체적을 감소시키도록 가스 입구 구멍(134)에 근접되게 연결된다.
가스 입구(136A,136B,136C,136D)는 가스 입구 구멍(134)의 상부에 근접되게 위치된다. 다른 실시예에서, 하나 또는 그보다 많은 가스 입구(136A,136B,136C,136D)는 상부(137)와 하부(135) 사이의 가스 입구 구멍(134)의 길이를 따라 위치될 수 있다.
챔버 리드(132)의 바닥면(160)의 적어도 일부분은 가스 입구 구멍(134)으로부터 기판(112)의 표면을 가로지르는 가스 유동의 개선된 속도 프로파일을 제공하는데 도움을 주기 위해 가스 입구 구멍(134)으로부터 챔버 리드(132)의 주변부로(즉, 기판(112)의 중심으로부터 기판(112)의 에지로) 테이퍼질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 바닥면(160)은 직선 표면, 오목 표면, 볼록 표면, 또는 이들의 조합과 같은 하나 또는 그보다 많은 테이퍼진 표면을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 바닥면(160)은 깔대기 형상으로 테이퍼진다.
프로그램된 개인용 컴퓨터, 워크 스테이션 컴퓨터 등과 같은 제어 유닛(180)은 처리 상태들을 제어하기 위해 처리 챔버(100)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(180)은 기판 처리 시퀀스의 상이한 단계 중에 가스 공급원(138A,138B,138C,138D)으로부터 밸브(142A,142B,142C,142D)를 통해 다양한 공정 가스와 세정 가스의 유동을 제어하도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 제어 유닛(180)은 관련 제어 소프트웨어(183)를 포함할 수 있는 중심 처리 유닛(CPU: 182), 지원 회로(184), 및 메모리(186)를 포함한다. 제어 유닛(180)은 각각의 챔버 구성 요소에 제어 유닛(180)을 연결하는 복수의 제어 라인(188)에 의해 도시된 바와 같이, 처리 챔버(100)의 각각의 구성 요소를 직접적으로 제어할 수 있다. 이와는 달리, 제어 유닛(180)은 각각의 챔버 시스템의 개별 제어 유닛(도시 않음)에 연결되며 개별 제어 유닛을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(180)은 가스 분배 조립체(130)의 개별 제어 유닛(도시 않음)에 연결될 수 있으며, 여기서 가스 분배 조립체(130)의 개별 제어 유닛은 각각의 구성 요소, 예를 들어 가스 공급원(138A-D)을 제어한다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 기판(112) 처리 방법을 도시한다. 상기 처리 방법은 예를 들어, ALD 공정에 의해 기판 상에 하프늄 산화물(HfOX)을 증착하는 단계를 포함한다. 증착 공정은 급격히 확장되는 체적 내에서 주울-톰슨 냉각 효과에 노출되거나, 가스 입구 구멍으로 유입시 와류 형성의 결과로써 캐리어 가스로부터 분리될 수 있는, 질소(N2)와 같은 캐리어 가스와 일반적으로 조합되는 하프늄 전구체를 제공하는 단계를 포함한다. 따라서, 전술한 가스 도관(150)과 가스 입구 구멍(134)의 실시예들은 그와 같은 바람직하지 않은 결과를 방지하기 위해 상기 방법(400)과 함께 유리하게 사용될 수 있다.
상기 방법(400)은 도 1에 도시된 처리 챔버(100)를 참조하여 설명한다. 단계 402에서, 기판(112)은 처리 챔버(100) 내에 로딩된다.
단계 404에서, 가스는 하나 또는 그보다 많은 제 1 체적(즉, 가스 도관(150))을 통해 제 2 체적(즉, 가스 입구 구멍(134))으로 유동된다. 몇몇 실시예에서, 하프늄 전구체는 하나의 가스 도관(150)을 통해 유동되며 산소 함유 전구체는 다른 가스 도관(150)을 통해 유동된다. 하프늄 전구체 및 산소 함유 전구체는 기판(112) 상에 하프늄 산화물 필름을 형성하기 위해 ALD 공정에서 별개로 또는 동시에 펄스될 수 있다.
가스 입구 구멍(134) 및 가스 도관(150)은 전술한 바와 같이 어떤 적합한 배열로 배치될 수 있다. 간략히 전술한 바와 같이, 각각의 가스 도관(150)은 가스 입구 구멍(134)의 중심 축선과 교차하는 길이방향 축선을 가진다. 이러한 방위는 가스가 가스 도관(150) 밖으로 그리고 가스 입구 구멍(134) 내측으로 유동할 때 와류 형성을 유리하게 방지할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 각각의 가스 도관(150)은 최소, 제 1 횡단면으로부터 제 2 횡단면으로 길이방향 축선을 따라 증가하는 횡단면을 가지며, 여기서 제 2 횡단면은 비-원형이다. 가스 도관의 형상은 전술한 바와 같이 주울-톰슨 냉각 효과를 유리하게 감소시킬 수 있으며 열 전달을 위한 더 큰 표면적을 제공할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 가스(예를 들어, 하프늄 전구체 및 캐리어 가스)가 각각의 가스 도관을 통해 유동할 때 가스 도관(150A,150B,150C,150D)을 따라 온도가 강하한다. 온도 강하는 종래 설계에서 약 200 ℃로부터 108 ℃로의 큰 온도 강하에 비해서, 약 190 ℃로부터 약 183 ℃로 단지 약간만 강하한다. 종래 설계는 예를 들어, 급속히 확장하는 횡단면을 갖는 가스 도관일 수 있다. 약 180 ℃ 위로 각각의 가스 도관(150)의 온도를 유지하는 것은 하프늄 전구체를 증기 형태로 유지하는데 도움을 준다. 전술한 몇몇 실시예에서, 히터는 각각의 가스 도관(150)에 연결될 수 있으며 각각의 가스 도관(150)을 통해 유동하는 공정 가스의 온도 하강을 추가로 감소시키는데 사용될 수 있다.
단계 406에서, 가스들은 제 2 체적(즉, 가스 입구 구멍(134))을 통해 기판(112)으로 분배된다. 몇몇 실시예에서, 하프늄 전구체는 가스 도관(150) 및 가스 입구 구멍(134)을 통해 처리 챔버(100)로 약 5 mg/m 내지 약 200 mg/m의 속도로 유입된다. 하프늄 전구체는 보통, 약 50 sccm 내지 약 2000 sccm 범위의 전체 유동 속도로 질소와 같은 캐리어 가스와 함께 유입된다. 종래의 ALD 공정에서, 하프늄 전구체는 특정 공정 및 소정의 하프늄 함유 화합물에 따라 약 1초 내지 약 10초간의 지속 기간 동안 처리 챔버(100) 내측으로 펄스된다. 발전된 ALD 공정에서, 하프늄 전구체는 약 50 ms 내지 약 3 초간의 보다 짧은 지속 기간 동안 처리 챔버(100) 내측으로 펄스된다. 몇몇 실시예에서, 하프늄 전구체는 하프늄 테트라클로라이드(HfCl4)일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하프늄 전구체는 테트라키스(tetrakis)(디에틸아민) 하프늄((Et2N)4Hf 또는 TDEAH)일 수 있다.
산소 함유 전구체는 약 10 sccm 내지 약 1000 sccm 범위, 바람직하게 약 30 sccm 내지 약 200 sccm 범위의 속도로 처리 챔버(100)로 유입된다. 종래의 ALD 공정에서, 산화 가스는 특정 공정 및 소정의 하프늄 함유 화합물에 따라 약 0.1 초 내지 약 10 초간의 속도로 처리 챔버 내측으로 펄스된다. 발전된 ALD 공정에서, 산화 가스는 약 50 ms 내지 약 3 초간의 보다 짧은 지속 기간으로 처리 챔버 내측으로 펄스된다.
그 후 기판(112)은 약 0.1 초 내지 약 5 초 범위의 시간 주기 동안 처리 챔버(100) 내측으로 유입되는 하프늄 전구체의 펄스에 노출된다. 이후에, 산소 함유 전구체의 펄스는 처리 챔버(100) 내측으로 유입된다. 몇몇 실시예에서, 산소 함유 전구체는 인-시츄 물과 산소와 같은 여러 산화제를 포함할 수 있다. 적합한 캐리어 가스 또는 세정 가스는 헬륨, 아르곤, 질소, 수소, 포밍 가스(forming gas), 산소 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용된 "펄스"는 처리 챔버(100)의 반응 영역으로 간헐적 또는 비연속적으로 유입되는 다량의 특정 화합물을 지칭한다.
각각의 증착 사이클 후에, 특정 두께를 갖는 하프늄 산화물과 같은 하프늄 함유 화합물이 기판(112)의 표면 상에 증착된다. 몇몇 실시예에서, 각각의 증착 사이클은 약 1 내지 10 Å 범위의 두께로 층을 형성한다. 특정 소자 요건에 따라, 소정의 두께를 갖는 하프늄 함유 화합물을 증착하기 위해 후속 증착 사이클이 필요할 수 있다. 그와 같이, 증착 사이클은 하프늄 함유 화합물에 대한 소정의 두께가 달성될 때까지 증착 사이클이 반복될 수 있다. 그 후, 상기 공정은 소정의 두께가 달성될 때 정지된다.
ALD 공정에 의해 증착된 하프늄 산화물은 화학 조성식(HfOX)을 가진다. 하프늄 산화물은 분자 화학 조성식(HfO2)을 가지나, 공정 조건(예를 들어, 타이밍, 온도, 전구체)을 변경시킴으로써 HfO1 .8+와 같이 하프늄은 충분히 산화되지 않을 수 있다. 바람직하게, 약 HfO2 또는 그 미만의 분자 화학 조성식을 갖는 하프늄 산화물이 상기 공정에 의해 증착된다.
몇몇 실시예에서, 도 1의 주기적 증착 공정 또는 ALD 공정은 약 1 Torr 내지 약 100 Torr 범위, 바람직하게 약 1 Torr 내지 약 20 Torr 범위, 예를 들어 약 1 Torr 내지 약 10 Torr 범위의 압력에서 발생한다. 몇몇 실시예에서, 기판(112)의 온도는 보통, 약 70 ℃ 내지 약 1000 ℃ 범위, 바람직하게 약 100 ℃ 내지 약 650 ℃ 범위, 더 바람직하게 약 250 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위이다.
하프늄 전구체는 일반적으로, 캐리어 가스를 하프늄 전구체를 함유하는 기포 발생기(bubbler) 내측으로 유입함으로써 처리 챔버(100)로 분배된다. PROE-VAP(등록상표)와 같은 적합한 기포 발생기는 미국 코네티컷주 댄버리에 위치하는 어드밴스트 테크놀로지 머티리얼즈, 인코포레이티드로부터 이용가능하다. 기포 발생기의 온도는 약 100 ℃ 내지 약 300 ℃ 범위와 같은 하프늄 전구체에 따른 온도로 유지된다. 예를 들어, 기포 발생기는 약 150 ℃ 내지 약 200 ℃ 범위의 온도에서 HfCl4을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 산화 가스는 라인에 의해 처리 챔버(100)와 유체 소통되는 수증기 발생(WVG) 시스템으로부터 제조된다. WVG 시스템은 O2와 H2의 촉매 반응에 의해 초 고순도 수증기를 생성한다. WVG 시스템은 점화(ignition)의 결과로써 수증기를 생성하는 발열 발생기와는 달리, 화학 반응에 의해 수증기가 생성되는 촉매-라인 반응기 또는 촉매 카트리지를 가진다. O2와 H2의 유동을 조절함으로써 1%에서 100%까지의 농도의 어느 지점의 농도로도 정밀하게 제어될 수 있다. 수증기는 물, O2와 H2 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 미국 캘리포니아 산타 클라라 소재의 후지킨 오브 어메리카, 인코포레이티드의 WVG 및 미국 캘리포니아 먼로 파크 소재의 울트라 클린 테크놀로지의 CSGS(촉매 스팀 발생기 시스템)와 같은 적합한 WVG 시스템이 상업적으로 이용가능하다.
세정 가스, 바람직하게 아르곤 또는 질소의 펄스가 약 1 slm 내지 약 20 slm 범위, 바람직하게 약 2 slm 내지 약 6 slm 범위의 속도로 유입된다. 각각의 처리 사이클은 약 0.01 초 내지 약 20 초간 지속된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 처리 사이클은 약 10초이나, 몇몇 다른 실시예에서 처리 사이클은 약 2초이다. 약 10초간 지속되는 긴 처리 단계는 우수한 하프늄 함유 필름을 증착시키나, 처리량은 감소된다. 실험을 통해 특정 압력 및 시간이 얻어진다.
많은 전구체가 본 발명의 범주 내에 있다. 하나의 중요한 전구체 특징은 유리한 증기압을 갖는 것이다. 대기 온도 및 압력에서 전구체는 가스, 액체 또는 고체일 수 있다. 그러나, ALD 챔버 내에서 휘발성 전구체가 사용된다. 유기금속 화합물 또는 복합물로는 금속을 함유하는 임의의 화학 약품, 및 아미드, 알킬, 알콕실, 알킬아미도스 및 아닐라이드와 같은 적어도 하나의 유기질 그룹이 포함된다. 전구체는 유기금속, 무기 화합물 및 할로겐 화합물을 포함할 수 있다.
예시적인 ALD 공정은 물 발생기로부터 형성된 인-시츄 스팀으로 하프늄 전구체를 순차적으로 펄싱함으로써 성장되는 하프늄 산화물이다. 기판 표면은 하이드록실 그룹을 형성하도록 예비처리된다. 하프늄 전구체인 HfCl4은 약 150 내지 200 ℃ 범위의 온도에서 전구체 기포 발생기 내에 유지된다. 질소와 같은 캐리어 가스는 약 400 sccm의 유동 속도로 기포 발생기 내측으로 지향된다. 하프늄 전구체는 캐리어 가스를 포화시키며 3초 동안 챔버 내측으로 펄스된다. 질소 세정 가스는 어떤 규제되지 않은(unbound) 하프늄 전구체를 제거하기 위해 3초 동안 챔버(100) 내측으로 펄스된다. 각각 120 sccm 및 60 sccm의 유동 속도를 갖는 수소 가스 및 산소 가스가 수증기 발생기(WVG) 시스템으로 공급된다. 인-시츄 스팀이 약 60 sccm의 수증기로 WVG로부터 배출된다. 인-시츄 스팀은 1.7 초 동안 챔버 내측으로 펄스된다. 질소 세정 가스는 부산물, 하프늄 전구체, 산소 및/또는 물과 같은 어떤 규제되지 않거나 미반응 시약 또는 HCl과 같은 부산물을 제거하기 위해 4초 동안 챔버(100) 내측으로 펄스된다. 기판(112)의 온도는 약 400 ℃ 내지 600 ℃ 범위의 온도로 유지된다. 일 예로서, 각각의 ALD 사이클은 약 0.8 Å의 하프늄 산화물 필름을 형성할 수 있다.
하프늄 함유 화합물을 증착하기 위한 본 발명의 실시예가 설명되었지만, 수증기 및 O2와 같은, WVG 시스템으로부터 나오는 산화 가스로 금속 전구체를 교체함으로써 하프늄 함유 화합물 이외에도 다양한 금속 산화물 및/또는 금속 실리케이트가 형성될 수 있다. 전술한 ALD 공정은 하프늄 알루민산염, 티타늄 실리케이트, 지르코늄 산화물, 지르코늄 실리케이트, 지르코늄 알루민산염, 탄탈 산화물, 탄탈 실리케이트, 티탄 산화물, 티탄 실리케이트, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 알루미늄 실리케이트, 란탄 산화물, 란탄 실리케이트, 란탄 알루민산염, 이들의 질화물, 및 이들의 조합물과 같은 재료들을 형성하도록 하프늄 및/또는 실리콘 전구체를 다른 금속 전구체로 대체함으로써 변경될 수 있다.
가스 분배 조립체를 위한 방법 및 장치들이 본 발명에서 제공되었다. 가스 분배 조립체는 확장된 비원형 횡단면을 가지며 외부 히터에 선택적으로 연결되는 가스 도관을 통해 감소된 주울-톰슨 냉각 효과를 유리하게 제공할 수 있다. 각각의 도관의 길이방향 축선이 가스 입구 구멍의 중심 축선과 교차되는 가스 도관의 방위는 가스 입구 구멍 내의 와류 형성을 유리하게 감소시킬 수 있다.
전술한 설명들이 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 추가의 실시예들이 본 발명의 기본 범주를 이탈함이 없이 창안될 수 있다.

Claims (15)

  1. 가스 분배 조립체로서,
    제 1 체적을 갖는 가스 입구 구멍, 및
    가스를 수용하는 입구 및 가스 도관으로부터 그리고 상기 제 1 체적 내측으로 가스의 유동을 촉진시키는 출구를 갖춘 가스 도관을 포함하며,
    상기 가스 도관은 상기 제 1 체적보다 작은 제 2 체적, 및 상기 입구에 근접한 제 1 횡단면으로부터 상기 출구에 근접한 제 2 횡단면으로 증가하는 횡단면을 가지며, 상기 제 2 횡단면은 비원형인,
    가스 분배 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 도관은 상기 가스 입구 구멍의 중심 축선과 교차하는 길이방향 축선을 가지는,
    가스 분배 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    정반대의 길이방향 축선을 가지는 두 개의 가스 도관을 더 포함하는,
    가스 분배 조립체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    수직한 길이방향 축선을 가지는 두 개의 가스 도관을 더 포함하는,
    가스 분배 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 가스 도관은 상기 가스 입구 구멍의 중심 축선에 수직한 길이방향 축선을 가지는,
    가스 분배 조립체.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 가스 도관은 상기 가스 입구 구멍의 중심 축선과 각을 이루도록 배열되는 길이방향 축선을 가지는,
    가스 분배 조립체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 도관을 통해 유동하는 가스를 가열하도록 각각의 상기 가스 도관에 연결되는 히터를 더 포함하는,
    가스 분배 조립체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 입구 구멍은 가스 유동 방향으로 상기 중심 축선의 적어도 일부분을 따라 증가하는 횡단면을 가지는,
    가스 분배 조립체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 가스 도관의 출구 대 입구의 횡단면 비율은 약 3 : 1 또는 그보다 큰,
    가스 분배 조립체.
  10. 기판 처리 장치로서,
    내부 체적을 갖는 처리 챔버, 및
    공정 가스를 상기 내부 체적으로 유입하기 위해 상기 처리 챔버에 연결되는 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 가스 분배 조립체를 포함하는,
    기판 처리 장치.
  11. 기판 처리 방법으로서,
    하나 또는 그보다 많은 제 1 체적을 통해 각각의 상기 제 1 체적보다 큰 제 2 체적으로 공정 가스를 유동시키는 단계, 및
    상기 공정 가스를 상기 제 2 체적을 통해 상기 기판으로 분배하는 단계를 포함하며,
    각각의 상기 제 1 체적은 유동 방향으로 길이방향 축선을 따라 제 1 횡단면으로부터 제 2 횡단면으로 증가하는 횡단면을 가지며, 상기 제 2 횡단면은 비원형인,
    기판 처리 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    각각의 상기 제 1 체적의 길이방향 축선은 상기 제 2 체적의 중심 축선과 정렬되는,
    기판 처리 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    정반대의 길이방향 축선을 가지는 두 개 이상의 상기 제 1 체적으로부터 상기 공정 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하는,
    기판 처리 방법.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    수직한 길이방향 축선을 가지는 두 개 이상의 상기 제 1 체적으로부터 상기 공정 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하는,
    기판 처리 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 제 1 체적을 통해 유동된 상기 공정 가스를 가열하는 단계를 더 포함하는,
    기판 처리 방법.
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